物理師范論文——發(fā)光二極管伏安特性的研究

1、摘要.1關(guān)鍵詞.2一 引言.2二 實(shí)驗(yàn)原理.32.1 發(fā)光二極管的基本工作原理.32.2 伏安特性.5三 實(shí)驗(yàn)部分.63.1 實(shí)驗(yàn)裝置.63.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.63.2.1 發(fā)光二極管伏安特性的測量.73.2.2. 開啟電壓法測波長由開啟電壓.73.2.3 注意事項(xiàng).83.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理.83.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.14四 結(jié)束語.15五 實(shí)驗(yàn)心得.16參考文獻(xiàn).17致謝.18摘要摘要本文主要測量紅光，白光，藍(lán)光，綠光和黃光五種發(fā)光二極管的正向伏安特性可使我們深入理解發(fā)光二極管的發(fā)光原理、特性及其測量方法。通常以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)，畫出該元件電流和電壓的關(guān)系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。

2、AbstractAbstractIn this paper, measure the red, white, blue, green and yellow, five light-emitting diode forward voltage characteristics allows us to understand the light-emitting diode light-emitting principle, characteristics and measurement methods. Usually abscissa voltage, current vertical axis

3、, draw the curve of the components of current and voltage, known as the volt-ampere characteristic curve of the component.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞發(fā)光二極管 伏安特性 電流源法KeywordKeywordLight-emitting diodes Volt-ampere characteristic Current source method一一 引言引言發(fā)光二極管（）是基于注入式電致發(fā)光原理制成的,發(fā)光二極管和白熾燈相比,具有工作電壓低、功耗小、體積小、重量輕、小型化、易于和集成電路

4、相匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、單色性較好、價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn),因此在很多領(lǐng)域,它都可獲得廣泛應(yīng)用。它的應(yīng)用涉及很多領(lǐng)域，從日常照明到尖端科技都有應(yīng)用。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,研究發(fā)光二極管的特性也變得越來越重要,本實(shí)驗(yàn)中,主要測量紅光，白光，藍(lán)光，綠光和黃光五種發(fā)光二極管的正向伏安特性。二二 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理2.12.1 發(fā)光二極管的基本工作原理發(fā)光二極管的基本工作原理發(fā)光二極管是由2族化合物半導(dǎo)體制成的,其核心為 PN 結(jié),由固體物理理論知,當(dāng) P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體緊貼時(shí)(實(shí)際是在一塊半導(dǎo)體的不同區(qū)域分別摻以受主型和施主型雜質(zhì)所形成的)由于 P 區(qū)和 N 區(qū)各

5、自有不同的費(fèi)米能級因此, P 區(qū)與 N 區(qū)剛接觸時(shí)必處于一非平衡狀態(tài)如圖 1 所示。此時(shí),在 P 區(qū)和 N 區(qū)界面兩側(cè)附近空間的載流子各自向?qū)Ψ綌U(kuò)散,電子與空穴的擴(kuò)散均破壞結(jié)兩邊的電中性,從而使 N 區(qū)邊界出現(xiàn)由正離子與空穴形成的正電荷積累,在 P 區(qū)邊界出現(xiàn)由負(fù)離子與電子形成的負(fù)電荷積累,結(jié)兩邊的異號電荷形成由 N 區(qū)指向 P 區(qū)的內(nèi)建電場 UD,內(nèi)建電場對載流子的庫侖力的作用阻止了擴(kuò)散的進(jìn)行,當(dāng)擴(kuò)散作用形成的由 P 區(qū)指向 N 區(qū)的擴(kuò)散電流與電場形成的反向漂移電流相等時(shí), PN 結(jié)處于平衡態(tài),P 區(qū)與 N 區(qū)的費(fèi)米能級重合,即 PN 結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級 EF 如圖 2 所示。當(dāng)在 PN

6、結(jié)施加正向偏壓時(shí),外加電壓 U 將抵消和減弱內(nèi)建電場,此時(shí)多數(shù)載流子將容易通過 PN 結(jié)進(jìn)入對方區(qū)域而成為少數(shù)載流子,當(dāng)進(jìn)入 P 區(qū)的電子與 P 區(qū)的空穴復(fù)合,進(jìn)入 N 區(qū)的空穴和 N 區(qū)的電子復(fù)合時(shí),將以發(fā)光的形式輻射出多余的能量。電子和空穴的復(fù)合可在不同能級間進(jìn)行,視材料能級不同,相應(yīng)地發(fā)出不同波長的光如圖 3 所示。圖 1P 區(qū)、N 區(qū)能帶圖圖 2PN 結(jié)平衡能帶圖圖 3PN 結(jié)電致發(fā)光原理圖2.22.2 伏安特性伏安特性根據(jù)歐姆定律，電阻 R、電壓 U、電流 I,有如下關(guān)系： RU I （1）由電壓表和電流表的示值 U 和 I 計(jì)算可得到待測元件 Rx 的阻值。但非線性元件的 R 是一

7、個變量，因此分析它的阻值必須指出其工作電壓（或電流） 。非線性元件的電阻有兩種方法表示，一種稱為靜態(tài)電阻（或稱為直流電阻） ，用DR表示；另一種稱為動態(tài)電阻用Dr表示，它等于工作點(diǎn)附近的電壓改變量與電流改變量之比。動態(tài)電阻可通過伏安曲線求出，如圖 4 所示，圖中 Q 點(diǎn)的靜態(tài)電阻DQQRUI,動態(tài)電阻DrdU dI。 圖 4 非線性元件的伏安特性曲線測量伏安特性時(shí)，受電壓表、電流表內(nèi)阻接入影響會引入一定的系統(tǒng)誤差，由于數(shù)字式電壓表內(nèi)阻很高、數(shù)字式電流表內(nèi)阻很小 ，在測量低、中值電阻時(shí)引入系統(tǒng)誤差很小，一般可忽略不計(jì)三三 實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分3.13.1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置1.發(fā)光二級管：紅光，白光，

8、藍(lán)光，綠光，黃光2.電源與儀表：直流恒流電源（02mA，020mA） ，數(shù)字萬用表（2 只）3.導(dǎo)線3.23.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.2.13.2.1 發(fā)光二極管伏安特性的測量發(fā)光二極管伏安特性的測量測量電路如圖 5 所示，即采用恒流源法。發(fā)光二極管最大正向電流 I=3V，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不少于 15 個。根據(jù)伏安特性曲線和實(shí)驗(yàn)中的觀察找到開啟電壓，并計(jì)算 5個發(fā)光二極管發(fā)出光的波長。 （詳細(xì)見 3.2.2）圖 5.伏安特性測量電路3.2.2.3.2.2. 開啟電壓法測波長由開啟電壓開啟電壓法測波長由開啟電壓及關(guān)系式，(/)（其中為普朗克常數(shù)，是光在空氣中光速，近似為真空中光速。 ） ，有發(fā)射的光波的波

9、長為= hc/eU （2）開啟電壓可以由圖 6 中的直線與橫軸的交點(diǎn)給出.圖 6.發(fā)光二極管正向伏安特性曲線（例圖）3.2.33.2.3 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)在接線的過程中，注意不要將各個元件的正負(fù)向接反。由于本實(shí)驗(yàn)需要連接線較多，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意正確連接線路，且在使用時(shí)不可用力過猛。接線時(shí),開關(guān)要處于開的狀態(tài)。測量時(shí)，電壓和電流從最小開始，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)均勻分布在實(shí)驗(yàn)曲線上。3.33.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理黃光發(fā)光二極管 黃光二極管的伏安特性曲線02468101214160.001.002.003.00電壓(v)電流(mA)系列 1由圖可以看出，開啟電壓為 1.85V,由：eU hc/

10、 可得 hc/ eU 帶入數(shù)據(jù)得585nm電壓（V)電流（mA）1.76 0.4024 1.55 0.00241.77 0.50241.63 0.01241.77 0.60241.66 0.02241.78 0.70241.67 0.03241.79 0.80241.68 0.04241.79 0.90241.69 0.05241.80 1.00241.69 0.06241.84 3.0241.70 0.07241.88 5.0241.70 0.08241.90 7.0241.71 0.09241.92 9.0241.71 0.10241.93 11.0241.74 0.20241.95 13

11、.0241.75 0.30241.96 15.024綠光發(fā)光二極管綠光二極管的伏安特性曲線圖0.00002.00004.00006.00008.000010.000012.000014.000016.00000123電壓(v)電流(mA)系列1 由圖知，開啟電壓為 2.25V,由 eU hc/ 可得 hc/ eU 帶入數(shù)據(jù)得 525nm電壓（V)電流（mA）2.220.5020 1.670.0020 2.240.6020 2.010.0320 2.250.7020 2.030.0420 2.260.8020 2.050.0520 2.270.9020 2.070.0620 2.281.002

12、2.080.0720 2.40 3.000 2.090.0820 2.485.002 2.10.0920 2.547.002 2.110.1020 2.60 9.002 2.150.2020 2.6511.002 2.180.0320 2.6913.002 2.210.4020 2.7315.002 藍(lán)光發(fā)光二極管藍(lán)光的二極管伏安特性曲線圖02468101214160.001.002.003.004.00電壓(v)電流(mA)系列1由圖知，開啟電壓為 2.55V,由 eU hc/ 可得 hc/ eU 帶入數(shù)據(jù)得 470nm電壓（V)電流（mA）2.39 0.40151.48 0.00152.4

13、3 0.50151.80 0.01152.46 0.60151.90 0.02152.49 0.70151.96 0.03152.51 0.80152.01 0.04152.54 0.90152.05 0.05152.56 1.00152.08 0.06152.62 3.0012.13 0.07152.70 5.0012.16 0.08152.77 7.0012.19 0.09152.82 9.0012.22 0.10152.87 11.0112.33 0.20152.96 13.0012.36 0.30153.01 15.001紅光發(fā)光二極管紅光的二極管伏安特性曲線0246810121416

14、0.001.002.003.00電壓(V)電流(mA)系列1 由圖知，開啟電壓為 1.70V,由 eU hc/ 可得 hc/ eU 帶入數(shù)據(jù)得 625nm電壓（V)電流（mA）1.72 0.40151.42 0.00151.73 0.50151.54 0.01151.74 0.60151.57 0.02151.75 0.70151.59 0.03151.76 0.80151.60 0.04151.76 0.90151.61 0.05151.77 1.0021.62 0.06151.84 3.0021.63 0.07151.88 5.0021.64 0.08151.92 7.0021.64 0.

15、09151.94 9.0021.65 0.10151.96 11.0021.68 0.20151.98 13.0021.70 0.30151.99 15.002白光發(fā)光二極管白光的二極管伏安特性曲線0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0001234電壓(V)電流(mA)系列1 由圖知，開啟電壓為 2.50V,由 eU hc/ 可得 hc/ eU 帶入數(shù)據(jù)得510nm，即為可見光的各色波長平均值電壓（V)電流（mA）2.720.60 2.230.00 2.730.70 2.490.02 2.740.80 2.530.04 2.750.90 2.560.06

16、 2.761.00 2.580.08 2.873.00 2.590.10 2.935.00 2.640.20 2.977.00 2.660.30 39.00 2.690.40 3.0211.00 2.710.50 3.0513.00 3.0715.00 3.43.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論當(dāng)加在發(fā)光二級管兩端的電壓小于開啟電壓時(shí)，發(fā)光二極管不會發(fā)光，也沒有電流通過；當(dāng)加在發(fā)光二極管兩端的電壓大于開啟電壓時(shí)，電流急劇上升，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)并發(fā)光，此時(shí)電流與電壓呈線性關(guān)系。二極管具有單向?qū)щ娦?，且反響電流很小，其值與反向電壓近似無關(guān)。四四 結(jié)束語結(jié)束語本實(shí)驗(yàn)研究了發(fā)光二極管的伏安特性，由于發(fā)光二極管

17、具有很好的指向性,因此可以用作局部照明光源用,如小型臺燈,小型手電筒,且因?yàn)榘l(fā)光二極管正常工作時(shí)所需電壓 24 V,電流僅 20mA 左右,因此其消耗的功率極小。一般,運(yùn)用 3 節(jié) 1. 5 V 干電池, 6 個白色發(fā)蘭的發(fā)光二極管并聯(lián),使用時(shí)間可長達(dá) 10 萬小時(shí)。因此,如果將辦公大樓的日光燈,夜晚的路燈,風(fēng)景照明燈,交通紅綠燈皆用發(fā)光二極管代替,每年可以為我國節(jié)省幾億千瓦的電能,因此發(fā)光二極管具有良好的應(yīng)用前景。發(fā)光二極管的改進(jìn)和發(fā)展:近幾年,出現(xiàn)了一種新型發(fā)光二極管叫做有機(jī)發(fā)光二極管(Organic LightEmittingDiode 簡稱 OLED)。這項(xiàng)新技術(shù)在一定程度上克服了顯像管和液晶的不足,并開始在消費(fèi)電子產(chǎn)品中嶄露頭角,為手機(jī)、PDA(個人數(shù)字助手)以及其他很多電子產(chǎn)品帶導(dǎo)體材料、有機(jī)光電子材料的特殊性質(zhì),屬于目前引人矚目的有機(jī)電子學(xué)、塑料電子學(xué)領(lǐng)域。美國科學(xué)家艾倫 2 里格,艾倫2 馬克迪米德和日本科學(xué)家白川英樹等三人因在該領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn),獲得了 2000年諾貝爾化學(xué)獎。該實(shí)驗(yàn)有利于激發(fā)我們進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)的興趣,提高探索科學(xué)的熱情和好奇心.在探索性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程中,我們可得到更深層次和更廣泛的能力訓(xùn)練,實(shí)